黃偉英,劉曉婷,關玉鳳,吳憶惠,范燦燁,劉巧瑜, ,陳海光,,吳俊師,王小玉
(1.仲愷農業工程學院 輕工食品學院,廣東省嶺南特色食品科學與技術重點實驗室,農業農村部嶺南特色食品綠色加工與智能制造重點實驗室,現代農業工程創新研究院,廣東廣州 510225;2.廣州輻銳高能技術有限公司,廣東省工業鈷-60 伽瑪射線應用工程技術研究中心,廣東廣州 511458;3.拱北海關技術中心,廣東珠海 519015)
肉食桿菌(Carbibacterium divergens)是一種革蘭氏陽性菌,耐鹽性能較強,可利用碳水化合物產酸,易存在于魚、肉和其他各種食物中產生異味并導致腐敗變質。李成[1]研究發現蟹糊在-20 ℃和4 ℃貯藏溫度下的優勢腐敗菌均為肉食桿菌屬,該菌屬能分解糖類產生乳酸,降低pH,其還能利用精氨酸產生氨類物質,產生不愉快氣味;桂國弘等[2]研究得出肉食桿菌在保藏過程中逐漸成為冷鮮雞的優勢腐敗菌,是導致揮發性鹽基氮含量升高,繼而發生腐敗變質的主因。作為常用的天然抑菌劑,殼聚糖和ε-聚賴氨酸均具有抑菌效果好、抑菌性廣等優點[3-4]。Wei等[5]提出,由于殼聚糖氨基的質子化,產生一個抑菌基團-NH3+,與細菌表面負電荷間的靜電相互作用,使細胞膜破裂,難以形成細胞壁,從而達到抑菌目的[6]。ε-聚賴氨酸源于白色鏈霉菌的發酵產物[7],是一種高度安全的天然食品抑腐劑。其中,Hou 等[8]和Wei 等[9]研究表明,ε-聚賴氨酸的抑菌機制主要作用于細胞膜和細胞壁導致細胞死亡,同時還可能作用于酶。
目前除常規的熱殺菌、輻照、氣調包裝等處理手段,在肉制品中添加天然抑菌劑是抑制肉類腐敗菌生長繁殖的方法。王志琦[10]研究表明在4 ℃貯藏條件下將復配抑菌劑(0.03%ε-PL+0.08%百里香精油+0.06%肉桂醛+0.04%牛至精油)應用于闞疃板雞成品,可顯著抑制肉食桿菌屬等菌群,使其貨架期延長到 9 d。李新福[11]研究得出復配精油牛至+百里香(1:1,v/v)對肉食桿菌抑制作用最佳。李成[1]發現復配保鮮劑(0.01% Nisin+0.04%ε-PL+0.03%茶多酚+0.1%檸檬酸)抑制肉食桿菌的增長,有效提高腌制生食蟹糊凍藏期間的食用安全性。
本文擬通過研究殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌細胞結構和細胞保護酶的作用,探討其對肉食桿菌的抑菌作用機制。通過測定最小抑菌濃度(minimum inhibition concentration,MIC),結合微生物生長曲線,比較其抑菌作用強弱,評價其對肉食桿菌的抑菌活性;然后通過測定電導率值、胞外核酸、胞外蛋白、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,AKP)活力等指標,結合掃描電子顯微鏡觀察,研究殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌細胞結構的破壞作用,還通過檢測超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和過氧化氫酶(catalase,CAT)活性變化,進一步探究殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌的細胞保護酶的作用影響,初步闡述殼聚糖和ε-聚賴氨酸的抑菌機理,為其在食品抑菌防腐領域中的開發應用提供一定的理論參考。
肉食桿菌P10(Carbibacterium divergens)為課題組早期從腐敗醬鹵肉鴿中分離、鑒定并保存的菌株;水溶性殼聚糖(分子量10W,脫乙酰度90.22%)河南萬邦萬邦化工科技有限公司;ε-聚賴氨酸(純度99.26%)鄭州拜納佛生物工程股份有限公司;營養瓊脂(NA)培養基、營養肉湯(NB)培養基廣州環凱微生物科技有限公司;蛋白定量測試盒、AKP 測試盒、SOD 測試盒、CAT 測試盒 南京建成生物工程研究所;戊二醛 分析純,上海源葉生物科技有限公司。
DDS-307 電導率儀 上海儀電科學儀器股份有限公司;760CRT 紫外可見光分光光度計 上海精密科學儀器有限公司;TDL80-2B 臺式離心機 上海安亭科學儀器廠;HITACHI SU8100 掃描電子顯微鏡 日本Hitachi 株式會社。
1.2.1 菌株活化及菌液制備 菌株活化:將肉食桿菌接種在NB 培養基中,并在37 ℃下培養24 h,反復傳代培養[12]。
菌懸液制備:取活化的菌液以1%(體積分數,后同)接種量接入100 mL 的營養肉湯培養基中,37 ℃靜置培養12 h,培養至對數生長期,得到原菌液備用。將營養肉湯在4 ℃、4000 r/min 條件下離心10 min,棄上清液,所得沉淀用無菌PBS 調整菌液,通過平板計數法得出具體菌落總數,在600 nm 下測定吸光度Abs(參考菌濃度-吸光度標準曲線),調整菌液濃度為107~108CFU/mL,現配現用[11]。
1.2.2 最小抑菌濃度(MIC)通過肉湯稀釋法測定抑菌劑對肉食桿菌的最小抑菌濃度(minimal inhibitory concentration,MIC),即37 ℃下培養24 h,明顯抑制微生物生長的最小濃度[13]。參考Wang 等[14]方法,稍作修改。收集對數生長期的菌液,稀釋至106CFU/mL。采用二倍稀釋法將殼聚糖和ε-聚賴氨酸在無菌PBS 中依次稀釋,使殼聚糖濃度依次為12.5、6.25、3.125、1.5625、0.7813、0.3906、0.1953、0.0977、0.04885 g/kg;ε-聚賴氨酸濃度依次為5、2.5、1.25、0.625、0.3125、0.1563、0.0781、0.0391、0.00196 g/kg。以無菌水作為對照組。37 ℃下培養24 h。隨后,取0.1 mL 活化后的菌液于平板上涂布均勻。以無菌水作為空白對照,將各平板于 37 ℃中倒置培養 24 h,以完全不長菌的最小濃度確定為殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌作用的 MIC[15]。
1.2.3 細菌培養液的制備 參照藍蔚青等[16]方法并做適當修改。將已制備的菌懸液按1%的接種量接種至NB 培養基中,以加入MIC、2 MIC 的抑菌液(殼聚糖、ε-聚賴氨酸)為實驗組(MIC 組、2MIC 組),以不加抑菌液為對照組(CK 組),37 ℃靜置培養。
1.2.4 微生物生長曲線 采用紫外-可見分光光度法測定肉食桿菌的生長曲線[17]。取制備好的細菌培養液,每隔2 h 測定600 nm 波長處的OD 值。
1.2.5 肉食桿菌細胞膜通透性的測定 通過測定電導率值,表示殼聚糖和ε-聚賴氨酸對菌體細胞膜通透性的影響,參照Liang 等[18]方法并做適當修改。取制備好的細菌培養液,每隔2 h 測定1 次電導率,連續12 h。
1.2.6 胞外核酸的測定 參照梅佳林等[19]方法并做適當修改。取制備好的細菌培養液,每隔2 h 取樣一次,連續 12 h,以4000 r/min 低溫離心10 min 后,取上清液,測定260 nm 波長處的OD 值。
1.2.7 胞外蛋白質含量的測定 參照Stec 等[20]方法并做適當修改。取制備好的細菌培養液,每隔2 h取樣一次,連續 12 h,以4000 r/min 低溫離心10 min后,取上清液,采用試劑盒測定細菌胞外蛋白質含量。
1.2.8 肉食桿菌細胞壁完整性的測定 通過測定堿性磷酸酶(AKP),研究殼聚糖和ε-聚賴氨酸對菌體細胞壁完整性的影響,參照Zhao 等[21]方法并做適當修改。分別在0、2、4、6、8、10、12 h 的細菌培養液離心后取上清液,用AKP 試劑盒來測定。
1.2.9 超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的測定 參照張亮亮[22]和Motavallihaghi 等[23]方法,將肉食桿菌培養至對數期(107CFU/mL),分別于0、2、4、6、8、10、12 h 取制備好的細菌培養液,各取10 mL 在低溫環境下超聲破碎,每次破碎5 s,處理2 min,4000 r/min 低溫離心10 min。吸取上清液,用試劑盒測定超氧化物歧化酶(SOD)活力和過氧化氫酶(CAT)活力。
1.2.10 掃描電子顯微鏡觀察 取制備好的細菌培養液,在37 ℃、120 r/min 搖床培養12 h 后,將上述培養液于4 ℃、8000 r/min 離心5 min,收集沉淀的細菌;將菌體重懸于2.5%戊二醛溶液中,并在4 ℃下固定24 h。棄掉上清液,用磷酸緩沖液沖洗樣品;1%的鋨酸溶液固定樣品2 h[24],再用磷酸緩沖液沖洗樣品;用30%、50%、70%、80%、90%、95%的乙醇溶液和無水乙醇對菌體依次脫水。臨界點干燥,將其涂在金屬載體上,噴金,在掃描電子顯微鏡中觀察[25]。
試驗各平行3 次,采用Microsoft Excel 2019(微軟公司)制表,Origin 2018 軟件(Origin Lab 公司)制圖,IBM SPSS Statistics 22 軟件(IBM 公司)做顯著性分析,P<0.05 表示差異顯著。
最小抑菌濃度(MIC)是衡量和評價物質抑菌能力的主要指標之一[26],MIC 值越小,抑菌效果越好,即在較低的質量濃度下,就可以抑制微生物的生長[27]。由表1 和表2 可知,殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌的生長均有較好的抑制作用,且抑菌效果隨殼聚糖和ε-聚賴氨酸濃度的增大而增強,當殼聚糖和ε-聚賴氨酸分別稀釋到最小濃度0.1953 和0.1563 mg/mL 時,培養基上肉眼看不見細菌生長,因此,其MIC 分別為0.1953 和0.1563 mg/mL,而ε-聚賴氨酸對肉食桿菌的MIC 低于殼聚糖對肉食桿菌的MIC,表明ε-聚賴氨酸對肉食桿菌的抑制作用強于殼聚糖。

表1 殼聚糖對肉食桿菌的MICTable 1 MIC of chitosan against Carnobacterium divergens

表2 ε-聚賴氨酸對肉食桿菌的MICTable 2 MIC of ε-polylysine against Carnobacterium divergens
細菌的生長曲線可以直接反映其生長情況及生長速率。在一定的波長范圍內,細菌懸液的濃度與吸光度值成正比[28],可通過OD 值變化來評判殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌的抑制作用。如圖1 所示,CK 組的肉食桿菌呈現出典型的“S”型生長曲線特點。4~10 h 為對數期,該階段細菌迅速生長,10 h后進入穩定期。殼聚糖和ε-聚賴氨酸的MIC 組和2MIC 組,OD 值基本處于低值波動,顯著低于CK組,說明細菌幾乎停止生長。加入質量濃度為MIC和2MIC 的殼聚糖和ε-聚賴氨酸延緩了肉食桿菌細胞的生長周期,能有效抑制肉食桿菌的生長。

圖1 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌生長曲線的影響Fig.1 Effect of chitosan (a),ε-polylysine (b) on the growth of Carnobacterium divergens
菌液電導率的變化可用來分析殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌細胞膜的通透性的影響[29]。圖2中,殼聚糖和ε-聚賴氨酸的MIC 組和2MIC 組的電導率均顯著增加(P<0.05),而CK 組的電導率較為穩定。正常情況下,細胞內外離子在細胞膜屏障下,會保持動態平衡,膜外環境的電導率基本保持不變。CK 組菌液在2 h 內的電導率增加較明顯,隨后維持在相對穩定狀態。在殼聚糖和ε-聚賴氨酸的作用下,肉食桿菌的細胞膜被破壞,失去保護能力和屏障作用,使原本細胞內容物中的帶電離子泄漏到細胞膜外,包括K+、Ca2+、Na+,導致膜外環境的電導率升高[30],圖2 中MIC 與2MIC 組菌液的電導率始終高于CK 組,殼聚糖的增長速率高于ε-聚賴氨酸,其與處理液濃度呈正相關。殼聚糖和ε-聚賴氨酸可以通過損傷細胞膜,增加細胞膜的通透性,影響其正常代謝,從而抑制細菌生長[31]。

圖2 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌細胞膜通透性的影響Fig.2 Effect of chitosan (a),ε-polylysine (b) on cell membrane permeability of Carnobacterium divergens
核酸具有編碼合成蛋白質的功能,在細胞的生命活動中起著重要作用[32],如果細胞內核酸丟失,將會導致細胞死亡。在不同培養時間,細胞內的核酸泄漏情況如圖3 所示。各組的OD 值均呈現出上升趨勢,MIC 和2MIC 的殼聚糖和ε-聚賴氨酸的OD 值均顯著增大(P<0.05)。殼聚糖的MIC 組和2MIC組OD 值在4 h 后明顯增長,ε-聚賴氨酸處理的MIC 組和2MIC 組OD 值在0~4 h 內增長最快,之后增長速度減慢,說明殼聚糖和ε-聚賴氨酸破壞了肉食桿菌的細胞膜,導致細胞內核酸不斷從細胞膜內流出,破壞強度與濃度呈正相關。因此,殼聚糖和ε-聚賴氨酸不僅破壞細胞結構,還導致胞內遺傳物質的泄漏,從而影響細胞的正常生理活動。

圖3 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌核酸泄漏的影響Fig.3 Effect of chitosan (a),ε-polylysine (b) on extracellular nucleic acid of Carnobacterium divergens
由圖4 可知,CK 組中胞外蛋白質量濃度趨于平穩,且均低于MIC 組和2MIC 組的胞外蛋白質量濃度,說明殼聚糖和ε-聚賴氨酸具有損傷細胞,破壞細胞的完整性,導致胞內蛋白質大量外泄的效果。0~2 h 內,殼聚糖作用菌液后的胞外蛋白質量濃度顯著增加(P<0.05),4 h 后有輕微波動,2MIC 組的殼聚糖在6 h 有最大值為0.344 mg/mL。而ε-聚賴氨酸的MIC 組和2MIC 組是在4 h 后胞外蛋白質量濃度迅速增加,2MIC 組的ε-聚賴氨酸在6 h 有最大值為0.4287 mg/mL,隨后趨于穩定。兩者相比之下,殼聚糖抑菌的速度遠遠大于ε-聚賴氨酸,可明顯抑制肉食桿菌的生長繁殖。細胞膜通透性增加,胞內蛋白外泄,引起胞外蛋白迅速增加,且高濃度殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌蛋白質泄漏影響更劇烈,可能導致菌體內可利用的蛋白質較少[33],菌體無法繼續繁殖,甚至死亡。


圖4 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌胞外蛋白質量濃度的影響Fig.4 Effect of chitosan (a),ε-polylysine (b) on extracellular protein concentration of Carnobacterium divergens
堿性磷酸酶(AKP)主要存在于細胞壁與細胞膜間。當細胞結構被破壞時,AKP 會從細胞內滲出。可通過測定AKP 的活力變化來判斷抑菌劑對菌體細胞壁的破壞情況[34]。由圖5 所示,MIC 和2MIC的殼聚糖和ε-聚賴氨酸的AKP 活力均顯著增加(P<0.05),而CK 組中的AKP 活力均維持較為穩定的水平。在0~2 h 時,檢測到殼聚糖中MIC 組和2MIC 組的AKP 大量滲出,隨后趨于穩定,且殼聚糖2MIC 組的菌液中的AKP 泄漏量高于MIC 組。當ε-聚賴氨酸作用于肉食桿菌時,0~2 h 內,MIC 組的菌液中AKP 活力迅速增加且高于2MIC 組,可能由于菌體受到高質量濃度的ε-聚賴氨酸后,刺激其自我修復功能,少數菌體恢復活力,繼續生存繁殖[35]。殼聚糖和ε-聚賴氨酸可通過誘導細胞膜損傷而后作用在細胞壁,增加細胞壁的通透性,導致大量AKP 滲漏到細胞外。殼聚糖和ε-聚賴氨酸相比之下,殼聚糖的抑菌時間更短,可能是當殼聚糖達到高濃度時,也會誘導幾丁質蛋白酶,即激發某些細菌本身的幾丁質蛋白酶活力,使其降解微生物自身細胞壁的幾丁質,細胞壁遭到破壞,細菌被殺滅,達到抑菌作用[36]。

圖5 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌細胞壁完整性的影響Fig.5 Effect of chitosan (a),ε-polylysine (b) on cell wall integrity of Carnobacterium divergens
過氧化氫酶(CAT)存在于細胞的過氧化物酶體內,能將過氧化氫催化分解為氧氣和水,避免機體受到氧化損傷[37]。由圖6 可知,CK 組菌體內CAT 活性較為穩定。殼聚糖和ε-聚賴氨酸處理導致肉食桿菌的CAT 活性先升高后降低。0~4 h 內,殼聚糖MIC組和2MIC 組的菌體CAT 活力顯著升高(P<0.05),CAT 活力分別達到了13.58、15.44 U/mg。4 h 后,菌體內CAT 活性明顯下降,在12 h 時,CAT 活力分別為5.92、3.81 U/mg。ε-聚賴氨酸MIC 組和2MIC組的CAT 活力迅速上升,在4 h 時MIC 組達到了15.93 U/mg,而2MIC 組在2 h 時達到最大值15.83 U/mg,隨著抑菌時間的延長,在12 h 時出現最小值分別為5.50、3.77 U/mg。肉食桿菌在殼聚糖和ε-聚賴氨酸的逆環境脅迫下,CAT 酶活力前期呈上升趨勢,可能是菌體為維持自身的氧化平衡狀態,提高過氧化氧化酶活性,從而清除過量過氧化物的一種自我調節與保護作用[38]。后期呈下降趨勢,可能由于高濃度的殼聚糖和ε-聚賴氨酸削弱了菌體細胞自身清除過氧化物的能力,加劇氧自由基的積累[39],細胞通透性增加,蛋白質變性嚴重,導致酶活性完全被抑制,造成菌體自身防御機能降低而死亡。

圖6 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌CAT酶活力的影響Fig.6 Effect of chitosan (a),ε-polylysine (b) on CAT enzyme activity of Carnobacterium divergens
超氧化物歧化酶(SOD)是一種抗氧化金屬酶,負責分解細胞體內超氧化物自由基,催化超氧陰離子(O2-)自由基歧化生成氧和過氧化氫,減少對膜的損害[40],在生物體氧化平衡中發揮關鍵作用。如圖7所示,隨著抑菌時間和抑菌劑(殼聚糖、ε-聚賴氨酸)濃度的升高,菌體細胞 SOD 活性呈現先升高,殼聚糖在4 h 達到最大活性,此時MIC 組和2MIC 組的SOD 活力分別為76.96、78.04 U/mg,4 h 后呈現下降趨勢。而ε-聚賴氨酸在6 h 達到最大活性,此時MIC組和2MIC 組的SOD 活力分別為 74.35、71.17 U/mg,隨后其SOD 活力迅速下降。因此,前期SOD 活力呈上升趨勢,說明此時肉食桿菌受到殼聚糖和ε-聚賴氨酸的損害,可能脅迫作用導致細胞內超氧陰離子自由基代謝平衡被破壞[41],使SOD 活力升高。隨后SOD 活力迅速下降,可能由于殼聚糖和ε-聚賴氨酸對菌體的影響發揮主導作用,影響了蛋白質與SOD生成,使SOD 對超氧離子清除率下降,導致超氧陰離子自由基的積累[42],影響機體氧化應激系統的動態平衡,觸發細胞凋亡或壞死性死亡。

圖7 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌SOD酶活力的影響Fig.7 Effect of chitosan (a),ε-polylysine (b) on SOD activity of Carnobacterium divergens
通過掃描電子顯微鏡對菌體進行形態觀察,更直觀看到殼聚糖和ε-聚賴氨酸作用后肉食桿菌的細胞形態變化,結果如圖8 所示。從圖8 中(a1)、(a2)可以看出,CK 組的肉食桿菌的細胞呈正常的短棒狀,細胞邊界清晰,結構完整、形態飽滿、表面光滑、分布均勻,沒有細胞破裂或內容物溢出等現象。相比之下,殼聚糖實驗組的變化則較為明顯,殼聚糖的MIC 組和2MIC 組作用后,從圖8 中(b1)、(b2)可知,肉食桿菌的細胞形態發生較大變化,觀察到菌體表面粗糙,細胞出現扭曲變形,圖8 中(c1)、(c2)的菌體變形的同時,細胞質從菌體細胞體內大量滲出,基本沒有形態正常的細胞;ε-聚賴氨酸的MIC 組作用肉食桿菌后(圖8 中(d1)、(d2)),肉食桿菌的細胞形態受到嚴重破壞,菌體表面粗糙,菌體發生扭曲變形,出現褶皺凹陷,ε-聚賴氨酸的2MIC 組作用后(圖8中(e1)、(e2)),出現褶皺和扭曲變形的現象更加明顯,細胞表面粗糙不平并出現孔洞,細胞內容物外泄。細胞形態改變可能是殼聚糖和ε-聚賴氨酸破壞了細菌的細胞膜,引起胞內物質外泄所致,最終導致菌體死亡。

圖8 殼聚糖(a)、ε-聚賴氨酸(b)對肉食桿菌處理前后微觀結構的掃描電子顯微鏡觀察Fig.8 Scanning electron microscopic observation of the microstructure of Carnobacterium divergens before and after treatment with chitosan (a) and ε-polylysine (b)
本文研究表明,殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌有良好的抑菌效果,能顯著減緩細菌生長速率,損傷肉食桿菌的細胞膜,使細胞內物質向外滲出,導致電導率增大,胞外核酸和蛋白含量明顯增加,從而導致菌體死亡。同時,AKP 活力增大,表明細胞壁完整性受損,抗氧化酶(CAT、SOD)活力降低,使菌體不能清除體內的自由基,造成菌體不可逆損傷,從而失去代謝和增殖活性。掃描電鏡圖顯示,殼聚糖可使菌體細胞壁與細胞膜的通透性增加,核酸、蛋白質、Na+、K+等內容物發生泄漏,明顯抑制細菌的正常生長,ε-聚賴氨酸能使菌體褶皺和扭曲變形的現象明顯,細胞表面粗糙不平并出現孔洞,細胞內容物外泄,破壞微生物的正常生理代謝,最終導致細胞死亡。本文初步探究殼聚糖和ε-聚賴氨酸對肉食桿菌的抑菌機理,也為這兩種天然抑菌劑在食品工業中的應用提供一定的理論參考。